风作为气象要素中最活跃的要素之一，其影响范围涉及军事、航海航空、工业、气象、科学试验等方面，因此对于风速和风向的测量显得尤为重要，其中超声波传感器在风向、风速的测量中应用十分广泛。超声波探头的前端电路是超声波风速风向传感系统的重要组成部分，实验显示，前端电路直接影响性能的好坏，除了要求超声波传感器性能优良外，与之匹配的前端电路设计也相当重要。文中设计了一种基于FPGA的超声波传感器前端处理电路，包括发射接收电路和信号调理电路。通过FPGA控制在压电陶瓷片两端加载超声频率的电脉冲信号，使压电陶瓷片产生相同频率的机械震荡，从而在空气中形成超声波。反之，在接收到空气中的超声波以后，压电陶瓷片会将超声波信号转换为交变电压信号。在经过后续电路处理后，输入到FPGA中进行分析，最终得到风速、风向的信息。

1 超声波传感器发射和接收电路

图 1所示为超声波传感器的发射和接收电路。超声波传感器的激励信号是由产生的，为了防止后端的发射电路电压 (+12V)烧坏引脚，加入了隔离电路。此外，考虑对于场效应管的驱动．采用MOSFET集成驱动芯片。选用TI公司的TPS28l1D芯片。既起到隔离作用又能驱动MOSFET管，并且输出信号总是有很快的转换速度。

当TPS2811D芯片输出高电平时，Q2导通，电源、Ll和4形成通路，此时，电源为L1和充电。当TPS2811D芯片输出由高变低时，O2断开，而电感中的电流不能突变，并且会产生阻碍电流变小的自感电动势，L1、和D4形成通路，从而为电容继续进行充电，当电容充满时，电流为零，电容通过L1、D2和VR1开始反向放电，此时 VR1两端会产生相应的电压脉冲。可以通过调节VR1的大小来调整传感器Y1两端的激励电压大小以产生不同频率的超声波信号。另外，场效应管Q2相当于一个容性负载，由于其PN结的作用产生寄生电容，导致关断时需要时间变长，因此设计了由PNP晶体管(Q1) 组成的快速放电电路，寄生电容通过，Q1快速放电，以提高关断速度。串接尺可以防止寄生电感的影响，但同时导致Q2开关速度变慢，综合考虑，选择的阻值为50n。

相对于传统的超声波传感器大多采用大功率的场效应管和变压器来产生高压脉冲作为激励信号来驱动传感器的情况，整体电路设计的复杂度降低，电路的调试简单，系统工作的稳定性提高了。

图l 超声波传感器的发射和接收电路

接收电路相对简单，此时超声波传感器将空气中的超声波转化为交变电压信号，后续电路对这个电压信号进行处理。二极管D3是防止作为接收电路时，信号影响驱动电路。

2超声波传感器信号调理电路

2．1 接收抗干扰限幅电路

超声波传感器接收到的噪声信号的幅值很多都在1V以上，比有用的交变电压信号幅值要大很多，所以应在信号进入后置电路前进行限幅，如图2所示，将两个反相并联的硅型二极管接到信号线与地线之间，其正向导通电压为 0.7V，而我们所需要的有用交变信号幅值远小于O.7V，因此可使一部分噪声信号过滤掉。

图 2 抗干扰限幅电路

经过电压跟随器的模拟信号进入第二级放大，第二级放大采用电压负反馈反相放大，设计中放大倍数为30倍。选取R为2kQVR2为反馈电阻，其大小可根据放大倍数与电阻R来计算，即

2．2 前置放大电路

超声波传感器接收到的有用信号非常微弱，因此需要将超声波传感器输出的交变电信号进行放大处理。

图2为采用MAX412芯片设计的运放电路原理图。第一级放大器作为电压跟随器，使用跟随器既可以获得较高的输入阻抗。降低噪声，又可以在被测信号源与数据采集电路之间起到隔离作用。为了对信号源呈现稳定的负载，在电路的输入端并联了一个电阻，此时放大器的等效输入电阻约等于风。加入电容G起到了交流耦合，防止了输入的模拟信号含有较高的直流分量时导致放大器输出饱和。电容和电阻成实际上构成了一个高通滤波器，其高通截止频率可以通过公式(1)计算：

本设计中，取风为10kn，C7为1 F，高通截止频率则为16Hz。而对于本设计，输入模拟信号的频率范围为200kHz，因此符合设计要求。

在此得 ~R2=60kit，可变电阻VR3为平衡电阻，其值通过下式求解，

电路中对运放进行了几点保护。输入端接入两个二极管D5、D6和电阻R构成双向限幅电路来进行输入保护；为防止正负电源极性接反，利用二极管D7、D8的单向导通性能来保护；电容C9、C10、C11和 C12起到去耦作用，防止自激振荡，其中c9、C1l采用 0.1 F的瓷片电容，Cl0、Cl2采用 4.7 F的钽电容，且在电源引脚处就近接地。

2.3 带通滤波电路

系统接收到的超声波信号频率是200kHz．因此应将非200kHz频率的无用信号过滤。本设计选择美信公司的有源滤波器MAX275。通过利用 MAX275内部的两个二阶滤波器级联实现四阶的带通滤波器对超声波传感器接收信号进行滤波，如图4所示。

图 4 带通滤波电路

某些电阻值可由设计人员自行确定，其他的则可以利用芯片数据手册的公式计算方法来确定阻值，最终所得各个电阻值如表1所示。

表1 各个外接电阻值

2．4 AGC自动增益控制放大电路

为了保证接收到的超声波交变电压信号幅度保持一个比较稳定、合理的范围，使用了自动增益控制放大电路。选用美国ANALOG公司的AD603芯片，且设定它的增益为一10～30dB，带宽为90MHz，满足由前级放大滤波后的超声波交变电压信号的放大要求。在使用AD603芯片前．需要对信号进行降噪声处理，并且可以起到隔离作用，电路图如图5所示。

图 5 OPA642电压跟随器电路

如图6所示为AD603自动增益控制放大电路原理图。原理是，晶体管Q4与电阻VR4构成了一个检波器，作用是检测电路输出信号幅度的变化。当AD603输出信号幅度发生变化时，晶体管Q3和晶体管Q4的两个集电极电流之差就会随着变化，从而使通过电容Car的电流也随之变化。Car两端的电压 (自动增益控制电压V_AGC)会随AD603输出信号幅度的变化而变化。当V_AGC上升时，引起增益增大，当V_AGC下降时，引起增益减小。可见通过V_AGC的自动变化就达到了自动调整放大器增益的目的。经仿真，当VR4阻值为249n时，效果最佳。电容Car的值会影响AGC的时间常数，此处取Q1F。

2．5 电压比较电路

经过前述相关处理后，超声波电信号仍然是交变的电压模拟信号，不能直接送人FPGA中进行处理。在本设计中，不需要将整个的交变电压信号转变为相应的数字信号在FPGA中处理，因此可以采用电压比较的方式将模拟信号装换为数字信号。选用美信公司的MAX912比较器芯片，该比较器内部具有两组比较器且相互独立，并分别可以进行锁存使能控制；另外，器件均能接受差动输入信号并具有互补性的兼容输出圈。由于噪声的影响，阈值不能选取理想的0V，在此经过多次试验后，选择O.2V作为阈值电压，电压比较器电路如图7所示，输出端的电压较小。可以直接与FPGA相接。

3 电路仿真

未进行任何处理的超声波交变电压信号中含有很多的噪声，无法直接拿来使用，如图8所示。

超声波交变电压信号经过接收抗干扰限幅电路、前置放大电路、带通滤波电路、AGC自动增益控制放大电路和电压比较电路后，得到的信号如图8所示。由此可见。在经过信号调理电路后，所接收的信号已经变成可供FPGA直接使用的数字信号。

4 结论

在利用超声波传感器进行风速和风向测量中，超声波探头的前端电路对系统性能的影响非常大。本文设计的前端电路有其独特的优点，整体电路设计的复杂度较低。电路的调试简单，系统工作的稳定性很高。由仿真分析可知，超声波前端发射和接收电路、信号处理电路符合设计要求，达到了预期目的。